一．实验设计方案 实验序号 实验时间 2014年11月19日 实验名称 实验室 基本模型机实验 睿智4—303 1．实验目的 1、在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，将第一部分中的各单元组成系统，构造一台基本模型计算机； 2、本实验定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。 3、在原有程序的基础上修改一条指令和增加两条指令。 2．实验原理、实验流程或装置示意图 1、实验内容：根据模型机的指令系统，编写相应的微程序，并上机调试运行，观察并记录结果。 2、实验原理： 在第一部分的单元实验中，所有的控制信号是人为用SWITCH单元产生的，但是在实际的CPU中，所有的控制信号都是由CPU自动产生的。所以在本次实验中我们用微程序来控制，自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。 本实验设计了五条机器指令，其指令格式如下： 助记符 机器指令码 说明 IN 00000000 ；输入，“INPUT”设备中的开关状态→R0 ADD addr 00010000 XXXXXXXX ；二进制加法，R0＋［addr］→R0 STA addr 00100000 XXXXXXXX ；存数，R0→［addr］ OUT addr 00110000 XXXXXXXX ；输出，［addr］→BUS JMP addr 01000000 XXXXXXXX ；无条件转移，addr→PC 机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。 为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。 存储器读操作（READ）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。 存储器写操作（WRITE）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。 启动程序（RUN）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。 上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下： SWB 0 0 SWA 0 1 控制台命令 读内存（READ） 写内存（WRITE） 1 1 启动程序运行（RUN） 根据以上要求设计数据通路框图，如图2-1。微代码定义如表2-1所示。 地址总线ALU-GARS3S2S1S0LDARALUPC-GMEMLED-GT4LDDR1DR1T4LDDR2PCDR2LOADLDPCCEWEWEOUT数据总线R0-GLDR0R0WET1T2时序微控制器INIRLDIRSW-G图2-l 数据通路框图 表2-1 基本模型机微指令结构图 微程序 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 A B P 6 5 4 3 控制信号 S3 S2 S1 S0 M CN RD M17 M16 uA5 uA4 uA3 uA2 A字段 15 14 13 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 控制信号 LDRI LDDR1 LDDR2 LDIR LOAD LDAR 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 B字段 12 11 10 0 1 0 1 0 1 0 控制信号 9 RS_G ALU_G PC_G 0 0 0 0 1 1 1 8 0 0 1 1 0 0 1 P字段 7 0 1 0 1 0 1 0 控制信号 P1 P4 LDPC 系统涉及到的微程序流程见图2-2，当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P1测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的高4位（I7—I4操作码）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。 控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表2-2即为将图2-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。 表2-2 二进制代码 本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制数码开关，作为输入设备（INPUT）；另一种是两位十六进制数LED数码管，作为输出设备（OUTPUT UNIT）。在输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上。只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号（WE）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。 图2-2 微程序流程图 3．实验设备及材料 1、ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱 一台 2、排线 若干 3、PC机 一台 4．实验方法步骤及注意事项 1、根据该模型机的指令系统，编写一段程序。这里给出两个参考程序。 参考程序一： 本程序从输入设备（数码开关）取入数据，保存在内存单元08，然后从08单元送到输出设备（LED数码管）进行显示。每次循环过程中，可以使输入设备数据改变，考察输出显示的结果（请实验者考虑：如何修改程序，使程序只执行一次从输入设备取出数据，送出输出设备显示）。设计机器指令程序如下（机器码和地址为十六进制数据）。 地址 内 容 助记符 说 明 00 00 IN ；输入开关数据→R0 01 20 STA [08H] ；R0→[08] 02 08 ；地址 03 30 OUT [08H] ；[08H] →BUS 04 08 ；地址 05 40 JMP [00H] ；00H→PC 06 00 ；跳转地址 参考程序二： 本程序从输入设备（数码开关）读入数据，与0A单元的数据相加，然后送到输出设备（LED数码管）进行显示。本程序不断地循环运行，在运行中可改变输入开关（INPUT）的值，观察输出显示的变化。 设计机器指令程序如下（机器码和地址为十六进制数据）。 地 址 内 容 助记符 说 明 00 00 IN ；输入开关数据→R0，采集数据 01 10 ADD [0AH] ；R0＋[0AH]→R0，输入数据与指定数据相加 02 0A ；地址 03 20 STA [0BH] ；R0→[0B] 04 0B ；地址 05 30 OUT [0BH] ；[0BH] →BUS，输出显示 06 0B ；地址 07 40 JMP [00H] ；00H→PC 08 00 ；跳转地址 0A 01 ；加数，可自定 0B ；求和结果保存在0B单元